(57)【要約】【課題】  温度変化に強く、半導体結晶層に欠陥の少ないアンテナ装置を提供する。【解決手段】  化合物半導体基板１の表面に化合物半導体層からなる領域２と絶縁性酸化膜からなる領域３とが形成され、この絶縁性酸化膜領域３には金属膜からなるアンテナ４が設けられ、上記化合物半導体層領域３にはアンテナ４に接続された半導体回路が形成されたものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
化合物半導体基板の表面に化合物半導体層からなる領域と絶縁性酸化膜からなる領域とが形成され、この絶縁性酸化膜領域には金属膜からなるアンテナが設けられ、上記化合物半導体層領域には上記アンテナに接続された半導体回路が形成されたことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
上記半導体回路が上記アンテナからの受信信号を増幅する受信用アンプを含むことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項３】
上記半導体回路が上記アンテナへの送信信号を増幅する送信用アンプを含むことを特徴とする請求項１又は２記載のアンテナ装置。
【請求項４】
上記化合物半導体層の材料がガリウム砒素（ＧａＡｓ）であることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載のアンテナ装置。
【請求項５】
上記化合物半導体層領域に発光素子が形成されたことを特徴とする請求項１〜４いずれか記載のアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナと回路が基板上に一体的に形成されたアンテナ装置に係り、温度変化に強く、半導体結晶層に欠陥の少ないアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のインターネット、衛星放送、移動体通信の急速な普及に伴い、通信システムの需要が急増し、使用される周波数帯域もマイクロ波、準ミリ波、ミリ波と高周波化の一途をたどっている。これらの通信における信号の増幅のための高周波電界効果トランジスタとしては、ＧａＡｓ等の化合物半導体を用いたＭＥＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＨＦＥＴ（Ｈｅｔｅｒｏ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が実用化され、システムの小型化、低価格化、高性能化のために、トランジスタなどの能動素子だけでなく、整合回路などの受動素子や線路も全て半導体チップ上に実現するＭＭＩＣ（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）の開発が進められている。
【０００３】
一方、信号を受信・送信するためのアンテナとして、多数のアンテナ素子を平面状に配列し、各アンテナ素子で受信した信号を一つに合成する平面アンテナが実用化されている。
【０００４】
実際には、上記トランジスタを用いた受信回路・送信回路と上記平面アンテナとが接続されて使用されるが、このとき同軸ケーブルや導波管を用いて両者を接続すると、システム全体としての小型化・軽量化の達成が困難となる。そこで、平面アンテナと受信回路・送信回路を含めてＭＭＩＣ化したアンテナ装置が考えられるようになった。
【０００５】
現在提案されているアンテナ装置には、基板として表面の一部に半絶縁性化合物半導体層を結晶成長により形成したシリコン（Ｓｉ）基板を用い、このＳｉ基板に半絶縁性化合物半導体層を形成し、この半絶縁性化合物半導体層が形成された領域以外の表面に１又は２以上のアンテナ素子からなる平面アンテナを形成し、半絶縁性化合物半導体層上に上記平面アンテナに接続される受信回路を形成したものがある。
【０００６】
【特許文献１】特開平５−５５８２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、Ｓｉと一般的な化合物半導体であるＧａＡｓとは格子定数が４％程度（室温でのＳｉの格子定数：５．４３０９オングストローム、室温でのＧａＡｓの格子定数：５．３６５３３オングストローム）異なるために、ＧａＡｓ基板上に単結晶ＧａＡｓを作成するときと同等の成長条件でＳｉ基板上に単結晶ＧａＡｓをエピタキシャル成長させることはできず、両者の格子不整合を緩和してＳｉ基板上に単結晶ＧａＡｓをエピタキシャル成長させるためには、成長方法の工夫が必要であった。例えば、適当なバッファ層を用いてＧａＡｓ層をＳｉ基板上に成長させる方法及びエピタキシャル膜成長後に熱アニールを行う方法が提案されている。しかし、これらの方法により、ＳｉとＧａＡｓとの間に生じる格子不整合を緩和したとしても、両者にはさらに約３倍の熱膨張係数（Ｓｉの熱膨張係数：２．３×１０-6／℃、ＧａＡｓの熱膨張係数：６．９×１０-6／℃）の差があるため、成長温度から室温に温度を低下させる過程で基板に反りが生じ、エピタキシャル層にクラックが入り、そこから電流がリークするという問題があった。
【０００８】
また、Ｓｉ基板上に成長させる半導体結晶層にはＳｉ結晶中の転位が半導体結晶中に受け継がれることによる転位や、Ｓｉ基板上の酸化膜等により半導体結晶層に欠陥が生じる問題があった。このような欠陥は、特に将来、ＭＭＩＣ化が発光素子にまで及んだ場合、発光素子、例えばＬＤ（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）の発光効率を低下させる致命的原因になることが予想される。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、温度変化に強く、半導体結晶層に欠陥の少ないアンテナ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために本発明は、化合物半導体基板の表面に化合物半導体層からなる領域と絶縁性酸化膜からなる領域とが形成され、この絶縁性酸化膜領域には金属膜からなるアンテナが設けられ、上記化合物半導体層領域には上記アンテナに接続された半導体回路が形成されたものである。
【００１１】
上記半導体回路が上記アンテナからの受信信号を増幅する受信用アンプを含んでもよい。
【００１２】
上記半導体回路が上記アンテナへの送信信号を増幅する送信用アンプを含んでもよい。
【００１３】
上記化合物半導体層の材料がガリウム砒素（ＧａＡｓ）であってもよい。
【００１４】
上記化合物半導体層領域に発光素子が形成されてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００１６】
（１）化合物半導体基板の表面に化合物半導体層を形成するので、温度変化によるクラックが生じることがない。
【００１７】
（２）化合物半導体基板の表面に化合物半導体層を形成するので、半導体結晶層に欠陥が生じにくい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１９】
図１に示されるように、本発明に係るアンテナ装置は、半絶縁性のＧａＡｓ基板１の表面にＧａＡｓ層からなる領域２と絶縁性酸化膜からなる領域３とが形成され、この絶縁性酸化膜領域３には金属膜からなる平面アンテナ等のアンテナ４が設けられ、ＧａＡｓ層領域２にはアンテナ４に接続された半導体回路（図示せず）が形成されている。
【００２０】
本発明により形成するアンテナは、例えば、プリントダイポールアンテナである。
【００２１】
ＧａＡｓ層領域２がＧａＡｓ基板１上に結晶成長により形成されているのに対し、絶縁性酸化膜領域３はスパッタリング法により形成されている。金属膜は、蒸着法により形成されている。
【００２２】
絶縁性酸化膜領域３には、アンテナ４への給電線となるマイクロストリップライン５も金属膜により形成されている。ＧａＡｓ層領域２に形成された回路には、アンテナ４からの受信信号を増幅する受信用アンプとしての低雑音アンプ、アンテナ４への送信信号を増幅する送信用アンプとしてのパワーアンプなどが含まれている。
【００２３】
次に、このアンテナ装置の特徴を製造方法と共に詳しく説明する。
【００２４】
まず、ＧａＡｓ基板１の表面にＧａＡｓ層を結晶させる。このとき、ＧａＡｓ層は必要な部分にのみ選択的にエピタキシャル成長させるか、或いはＧａＡｓ基板１の表面全域にＧａＡｓ層を成長させた後にエッチングにより不要な部分を除去して形成する。これにより、ＧａＡｓ基板１の表面にはＧａＡｓ層が形成された領域２とＧａＡｓ層が形成されていない（除去された）領域とができる。このうちＧａＡｓ層領域２以外の領域（全域又は一部）に、ＳｉＯ2絶縁性酸化膜をスパッタリング法により形成する。
【００２５】
ところで、一般に化合物半導体では、Ｓｉで用いられる熱酸化法（Ｓｉを高温の雰囲気中で酸素や水蒸気にさらすことにより、ＳｉとＯ2とを化学的に反応させてＳｉＯ2を形成する方法）では酸化膜ができない。また、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法（原料をガス状態で供給し、触媒反応を利用して膜を堆積させる方法）は、化学反応を利用するため、下地材料の種類に依存する。そこで、本発明では、化合物半導体層上への絶縁性酸化膜の形成は、下地材料の種類に依らずに良好な密着性が得られるスパッタリング法で行う。スパッタリング法は、高真空中でシリサイドのターゲットに高エネルギのアルゴン（Ａｒ）原子をぶつけ、Ａｒ原子に叩かれて飛び出してくる原子を物理的に被着・成膜する方法である。
【００２６】
次いで、この絶縁性酸化膜上に金属膜によるアンテナを形成する。アンテナを形成する下地材料のＳｉＯ2は、比誘電率が３．８であり、Ｓｉ（比誘電率：１１．８）やＧａＡｓ（比誘電率：１３．１）と比較して非常に比誘電率が小さい。このため、ＧａＡｓ層の上に直接アンテナを形成する場合に比べてアンテナの帯域幅を大きくとることができる。
【００２７】
一方、ＧａＡｓ層領域２には、アンテナ４に接続された受信回路や送信回路等の半導体回路を形成する。受信回路は低雑音アンプを含み、その低雑音アンプは、ＭＥＳＦＥＴ、ＨＦＥＴ等を集積化して構成する。ＭＥＳＦＥＴの場合は、ＧａＡｓ層として、電子の伝導チャンネルとなるｎ形ｎ−ＧａＡｓ層を成長させ、ドレン、ソースのオーミック電極とショットキー接合によるゲートを真空蒸着等により形成する。ゲートに印加するバイアスで電極の真空空乏層幅を変化させてチャンネルの厚さを変化させ、ドレン電流を制御することでアンプとしての役割を持たせる。
【００２８】
以上のようにして、帯域幅の大きい平面アンテナとそのための受信回路・送信回路を同一基板上に作り込むことができる。
【００２９】
以下、製造工程を図２〜図４を用いて順に説明する。なお、これらの図は、図１のアンテナ装置とほぼ同等のアンテナ装置の製造途中の側断面を示したもので、概略左側がアンテナ４を作る絶縁性酸化膜領域３、概略右側が半導体回路を作るＧａＡｓ層領域２に相当する。
【００３０】
まず、図２（ａ）に示されるように、ＧａＡｓ基板２１の表面全体にＧａＡｓ層２２を形成する。このＧａＡｓ層２２は半導体回路の元になる結晶成長層である。
【００３１】
次に、図２（ｂ）に示されるように、スパッタリング法によりＧａＡｓ層領域２２の表面全体にＳｉＯ2膜２３を形成する。
【００３２】
図２（ｃ）に示されるように、ＳｉＯ2膜２３の表面全体にレジスト２４を塗布する。
【００３３】
図２（ｄ）に示されるように、レジスト２４のうちの概略左側をマスキング（図示せず）して露光させ、現像して乾燥させることにより、レジスト２４の概略右側を除去してレジスト２４ｂを残す。なお、レジスト２４は、紫外線等の光で露光し、現像することで酸等のエッチャントでエッチングする際に耐える膜を形成するためのものである。エッチングしたときに、レジスト２４ｂの下部は溶出されずに残ることになる。後述する他のレジストも同様である。
【００３４】
図２（ｅ）に示されるように、エッチングを施すことにより、ＳｉＯ2膜２３のうちのレジスト２４ｂのない部分を除去し、その後、レジスト２４ｂを除去することにより、ＳｉＯ2膜２３ｂを残す。このＳｉＯ2膜２３ｂが図１の絶縁性酸化膜領域３である。
【００３５】
図２（ｆ）に示されるように、ＳｉＯ2膜２３ｂ及び露出しているＧａＡｓ層領域２２の全面にレジスト２５を塗布し、露光、現像、乾燥を行う。
【００３６】
図２（ｇ）に示されるように、所望部分２５ｃを除いて全面をマスキング（図示せず）して露光させ、現像して乾燥させることにより、所望部分２５ｃだけレジスト２５を取り除く。
【００３７】
図３（ａ）に示されるように、全面に金属蒸着を行い、蒸着金属膜２６を形成する。蒸着金属膜２６は、複数の金属を層状に蒸着したもので、最上部は金である。なお、蒸着は、真空中で電子線や電流で金属を加熱し、気化させることで金属の膜を形成するものである。
【００３８】
図３（ｂ）に示されるように、リフトオフを行い、レジスト２５と共に蒸着金属膜２６を取り除くことにより、蒸着金属パターン２６ｃを残す。なお、リフトオフは、有機溶剤でレジスト２５を落とし、レジスト２５上に蒸着された蒸着金属膜２６を剥がすものである。
【００３９】
図３（ｃ）に示されるように、アニールを行うことにより、蒸着金属パターン２６ｃを合金化してオーミック電極を形成する。なお、アニールは、ある温度で加熱することで、半導体と金属の接触部分を合金化することである。合金化することで、電流の流れの方向性のないオーミック接触を得ることができる。
【００４０】
図３（ｄ）に示されるように、全面にレジスト２７を塗布する。
【００４１】
図３（ｅ）に示されるように、ＳｉＯ2膜２３ｂの一部及び蒸着金属パターン２６ｃを含む所望部分２７ｄを除いてマスキング（図示せず）して露光させ、現像して乾燥させることにより、所望部分２７ｄだけレジスト２７を取り除くことにより、レジスト２７ｅ及びレジスト２７ａを残す。
【００４２】
図３（ｆ）に示されるように、全面に金属蒸着を行い、蒸着金属膜２８を形成する。蒸着金属膜２８は、金である。
【００４３】
図３（ｇ）に示されるように、レジスト２７ｅ及びレジスト２７ａを取り除くことにより、蒸着金属膜２８のリフトオフを行い、金属膜２８ｄを残す。この金属膜２８ｄが図１のアンテナ４及びマイクロストリップライン５である。
【００４４】
図４（ａ）に示されるように、蒸着金属パターン２６ｃの上部において、金線２９により金属膜２８ｄとコネクタ３０とをボンディングする。
【００４５】
以上の工程により、ＳｉＯ2膜２３ｂの上に金属膜２８ｄを有し、この金属膜２８ｄに接続された半導体回路２２ａを有する一体の装置、即ち、図１のアンテナ装置が製造される。
【００４６】
次に、本発明のアンテナ装置の利点を述べる。
【００４７】
本発明のアンテナ装置は、平面アンテナと受信回路或いは送信回路を同一の基板上に形成したので、アンテナ装置全体の小型化・軽量化を図ることができる。
【００４８】
また、アンテナが形成される基板には比誘電率が比較的小さい絶縁性酸化膜を設けたので、アンテナの帯域幅を大きく取ることができる。その理由を図５により説明すると、いま、信号の速度ｃ、周波数ｆ、波長λについて
λ＝ｃ／ｆ                                    （１）
の関係があるので、両辺を微分すると、
Δλ＝（−ｃ／ｆ2）×Δｆ                    （２）
となる。
【００４９】
背景技術では、ＳｉとＧａＡｓとの熱膨張係数の違いのため温度変化によりクラックが入ることがあったが、本発明では、化合物半導体基板の表面に化合物半導体層を形成するので、温度変化によるクラックが生じることがない。
【００５０】
また、背景技術では、Ｓｉ基板上にＳｉの層を形成するため、半導体結晶層に欠陥が生じたが、本発明では、化合物半導体基板の表面に化合物半導体層を形成するので、半導体結晶層に欠陥が生じにくい。
【００５１】
また、本発明のアンテナ装置は、直接遷移型化合物半導体を使用することで、発光素子をＭＭＩＣ化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の一実施形態を示すアンテナ装置の平面図である。
【図２】図１のアンテナ装置の製造工程を示す（ａ）〜（ｇ）の工程図である。
【図３】図２に続く製造工程を示す（ａ）〜（ｇ）の工程図である。
【図４】図３に続く製造工程を示す（ａ）の工程図である。
【符号の説明】
【００５３】
１  アンテナ装置
２  ＧａＡｓ層領域
３  絶縁性酸化膜領域
４  アンテナ
５  マイクロストリップライン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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